走向智能機(jī)器人力設(shè)計(jì)建造新時(shí)代

徐衛(wèi)國

1 重返“人力”生產(chǎn)制造方式

“設(shè)計(jì)”成為獨(dú)立的行業(yè)是現(xiàn)代社會生產(chǎn)組織形式的表現(xiàn)，工業(yè)革命導(dǎo)致大規(guī)模社會化大生產(chǎn)，同時(shí)也帶來行業(yè)的細(xì)分，生活必需品的生產(chǎn)制造也失去了手工作坊的工匠勞作模式。如集“量體—打樣—制作”為一體的裁縫制衣，變成了“服裝設(shè)計(jì)—批量加工”的服裝生產(chǎn)方式；“根據(jù)需求—就地取材—特色木工細(xì)活”的家具制作過程，變成了“家具設(shè)計(jì)—部件批量制造—集合裝配”的家具生產(chǎn)工業(yè)；“因地制宜—因材就用—工匠砌筑—自然裝飾”的自主建房途徑，變成了“專業(yè)建筑師設(shè)計(jì)—工廠構(gòu)件加工—施工隊(duì)現(xiàn)場施工”的大規(guī)模房屋建造工業(yè)[1-2]。

現(xiàn)代社會生產(chǎn)組織模式帶來了巨量能耗、環(huán)境污染、生態(tài)破壞、不可持續(xù)等問題，使得人類如今渴望回歸之前生態(tài)低碳的生產(chǎn)生活狀態(tài)。新科學(xué)、新技術(shù)的突飛猛進(jìn)正在推動人類步入以信息為基礎(chǔ)的智能社會，智能技術(shù)將使人類重返通過“人力”來滿足生產(chǎn)生活需求的社會，當(dāng)然，這個(gè)“人力”是機(jī)器人的力量。智能系統(tǒng)及智能機(jī)器將徹底解放人類，它們將替代人類進(jìn)行高效節(jié)能、精致高質(zhì)、低碳環(huán)保的生產(chǎn)制造，人們又可以回到生態(tài)低碳的慢生活境地。這樣，社會生產(chǎn)及社會生活將徹底結(jié)束高排放、高能耗的現(xiàn)代工業(yè)時(shí)代。

2 智能機(jī)器人力設(shè)計(jì)建造

建筑設(shè)計(jì)行業(yè)也是大規(guī)模社會化生產(chǎn)分工合作的產(chǎn)物，隨著智能化信息社會的到來，它作為獨(dú)立的行業(yè)將逐漸衰敗，并發(fā)生轉(zhuǎn)向，融入智能建筑設(shè)計(jì)建造產(chǎn)業(yè)網(wǎng)鏈，作為主導(dǎo)角色發(fā)揮作用。這個(gè)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)鏈便是“智能建造”，指房屋建造或環(huán)境建設(shè)的全過程及各專業(yè)充分利用數(shù)字技術(shù)及智能算法工作在同一數(shù)字平臺實(shí)現(xiàn)建造目標(biāo)。其特點(diǎn)在于“全過程”至始至終、以及“各專業(yè)”相互之間具有連續(xù)且共享的數(shù)字信息流，從方案設(shè)計(jì)開始，經(jīng)過后續(xù)階段及各專業(yè)的不斷添加、修改、反饋，形成優(yōu)化的設(shè)計(jì)信息；以此數(shù)字信息流為依據(jù)，房屋建筑或環(huán)境建設(shè)依靠互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)、CNC 數(shù)控設(shè)備、3D 打印、機(jī)器人等智能機(jī)械，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、環(huán)保性的物質(zhì)建造與運(yùn)營服務(wù)，從而形成一個(gè)新的“數(shù)字建筑及環(huán)境建設(shè)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)鏈”[3]。

這一過程也可看成是虛擬性建造與物質(zhì)性建造的結(jié)合，虛擬性建造即是在計(jì)算機(jī)內(nèi)的建筑建造過程，它形成數(shù)字信息流；物質(zhì)性建造以虛擬性建造形成的數(shù)字信息為依據(jù)，展開部件的加工與現(xiàn)場施工，同時(shí)與數(shù)字信息交互，繼續(xù)優(yōu)化修正已有數(shù)字信息，延續(xù)數(shù)字信息流，直至項(xiàng)目建成交付使用；最終把虛擬性建造形成的信息模型及物質(zhì)性建造形成的物業(yè)一同交給建筑使用者及物業(yè)管理者。

這一過程的特點(diǎn)也非常明顯，它把設(shè)計(jì)、加工、建造甚至運(yùn)維都聯(lián)為一體，高度集約，所有行為均在同一數(shù)字平臺進(jìn)行，不同意見均可協(xié)同解決，這似乎又回歸到工業(yè)社會之前的作坊模式，集思廣益，盡其所能，經(jīng)濟(jì)節(jié)約。

從這一發(fā)展前景來看，建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該與建造產(chǎn)業(yè)更緊密地縱向聯(lián)系，形成數(shù)字建筑及智能建造產(chǎn)業(yè)鏈，而不是一味地堅(jiān)守建筑設(shè)計(jì)的自治性，或與其他設(shè)計(jì)行業(yè)橫向?qū)で笤O(shè)計(jì)自身的共同性，其目的在于改變目前非常落后的建筑工業(yè)現(xiàn)狀，為建筑工業(yè)升級換代做出貢獻(xiàn)。

3 機(jī)器人3D打印混凝土建造方式

機(jī)器人3D 打印建造是一種典型的智能建造方式，它把數(shù)字建筑設(shè)計(jì)方法、機(jī)器人智能機(jī)械、3D 打印技術(shù)、特種混凝土材料技術(shù)相結(jié)合，是一種跨學(xué)科集成性房屋及環(huán)境建造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)。它將房屋或環(huán)境建設(shè)過程進(jìn)行了數(shù)字化集成，建造工藝流程包括算法生成創(chuàng)意設(shè)計(jì)、數(shù)字形態(tài)建模、整體結(jié)構(gòu)計(jì)算、打印路徑規(guī)劃、打印程序編碼、虛擬打印建造模擬、現(xiàn)場原位打印、或現(xiàn)場預(yù)制打印及裝配；真正體現(xiàn)了全過程及各專業(yè)在同一數(shù)字平臺協(xié)同工作，集約式一體化建造特點(diǎn)[4]。

以河北武家莊農(nóng)宅3D 打印項(xiàng)目為例，我們研發(fā)團(tuán)隊(duì)以近似設(shè)計(jì)建造智能工坊的形式，參與了項(xiàng)目實(shí)施全過程，首先運(yùn)用自主開發(fā)的軟件模塊單元生成農(nóng)宅方案并進(jìn)行形態(tài)建模，結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行整體模型結(jié)構(gòu)計(jì)算，基于確定的設(shè)計(jì)形體進(jìn)行打印路徑規(guī)劃并導(dǎo)成打印代碼，在電腦中進(jìn)行模擬打印無問題后，便在現(xiàn)場安裝打印機(jī)器人設(shè)備，農(nóng)宅基礎(chǔ)及墻體原位打印，而農(nóng)宅拱形屋頂現(xiàn)場預(yù)制打印后裝配式安裝，最終進(jìn)行門窗及室內(nèi)裝配式裝修完成農(nóng)宅建設(shè)。通過這一項(xiàng)目的實(shí)踐可以看到，由于建造過程中機(jī)器人替代了工人進(jìn)行工作，減少了2/3 的勞動力投入；由于有了電腦里的虛擬建造，工地的現(xiàn)場施工周期大大縮短；由于智能機(jī)器的高精度性能，房屋質(zhì)量得到有效保證；更重要的在于，機(jī)器人3D 打印的建造方式綜合效益高，生態(tài)環(huán)保低耗能，小型智能建屋團(tuán)隊(duì)就能進(jìn)行房屋建造，這使人們意識到，我們正在逐漸進(jìn)入到人性化智能社會的生活境地。

該技術(shù)涉及到不同的行業(yè)參與，可帶動一個(gè)新的數(shù)字建造產(chǎn)業(yè)鏈的形成，產(chǎn)業(yè)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)將產(chǎn)生新的生產(chǎn)行業(yè)，如數(shù)字建筑設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、機(jī)器人生產(chǎn)、打印設(shè)備生產(chǎn)集成、打印材料研發(fā)生產(chǎn)、智能施工與數(shù)字工地等，它是建筑工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級換代的有力典范?！?/p>